[发明专利]五电极钢筋锈蚀监测传感器及其制备方法

说明书

(一)技术领域

本发明涉及一种土木工程中用的传感器技术，具体涉及一种土木工程结构健康监测用钢筋腐蚀监测传感器。

(二)背景技术

在混凝土环境下，由于混凝土的多孔性，水分与氧气可以沿着孔隙和裂纹迁移，这恰好是低碳钢和高强度合金钢等钢材腐蚀的必要条件。在大多数情形下没有发生腐蚀的原因是这些孔隙中由于水泥的水化过程形成了高浓度的钙、钠和钾的氢氧化物，从而保持了PH值在12-13之间，这一高碱度环境是钢材钝化，形成致密的γ型氧化铁防止了钢材的快速腐蚀。然而当Cl^-(来自除冰盐或者海水)经过混凝土表面在钢筋表面进行聚集或者由于CO₂(来自大气，也是造成全球气候变暖的重要因素之一)的作用使孔溶液PH值降低的情况下，钝化膜遭到破坏，混凝土对钢筋的保护作用失效，在O₂以及H₂O充足的情况下钢筋截面积减小或者出现蚀点。

过去的研究表明钢筋锈蚀是造成钢混结构损伤以及失效的原因之一，全世界对腐蚀结构的维护维修以及更换构件投入了大量的费用，在土木工程中钢筋锈蚀的监测是结构健康监测以及全寿命设计的重要组成部分。土木工程中绝大多数(除了部分高温氧化反应外)钢材的锈蚀过程都是电化学过程，所以电化学方法成为监测结构中钢材锈蚀的最本质的方法。近些年来国内外的科研工作者采用电化学方法对腐蚀科学问题进行了大量的研究，通过稳态及暂态电化学方法的研究，不但能够获得诸如腐蚀电流密度、腐蚀速率这样的基本参数，还能够得知揭示腐蚀电化学过程的更详细的信息，如极化电阻、双电层电容、扩散过程、点蚀的发生过程等。这些参数的测量能够为腐蚀监测提供更加可靠的依据。

电化学方法是揭示腐蚀科学问题的最本质的方法，然而过去采用电化学方法研究腐蚀问题绝大部分处于实验室状态下进行的，如何将电化学方法应用于实际工程成为近几年国内外研究的热点。毫无疑问电化学方法从原理上讲是成熟和可靠的，针对具体工程如何架构传感器及采集系统，为电化学方法搭建应用平台是实际工程要解决的具体技术问题，这也是与机遇并存的挑战。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种在土木工程结构健康监测中具有长寿命、性能稳定的五电极钢筋锈蚀监测传感器。

本发明的产品结构为：它包括分别安装在壳体预留固定孔内的参比电极、辅助电极、工作电极、两个与所监测钢材材料完全相同的等同电极以及传感器壳体，壳体呈筒状，工作电极、辅助电极以及两个等同电极间隔设置，工作电极、两个等同电极以及辅助电极分别连接导线，导线引出传感器壳体。

本发明的产品还可以包括这样一些结构特征：

1、所述的参比电极为ASSRE-1全固态参比电极，采用Ag/AgCl/KClsat体系，由从参比电极的轴心向外依次为纯度为99.99％的Ag、AgCl层、三组分多孔层以及水泥浆层构成；

2、所述的参比电极为MnO2固态参比电极或液态参比电极；

3、所述的辅助电极为石墨电极；

4、所述的辅助电极为不锈钢、铂或其它导电耐腐蚀材料；

5、所述的工作电极、辅助电极以及等同电极呈片状。

本发明的另一目的在于提供一种采用电化学方法可以对混凝土中钢筋锈蚀状态进行全面监测的五电极钢筋锈蚀监测传感器的制备方法。

本发明的制备方法为：首先制备安装电极位置的筒式壳体和电极护套，其次进行电极固定板及电极出线及密封区加工，再次制备参比电极封装管，最后进行五电极腐蚀监测传感器的组装，即将所用电极安装在圆筒内部的预留位置，首先安装ASSRE-1全固态参比电极，然后安装三个工作电极，再次安装石墨辅助电极，最后安装电极保护套以及出线端密封帽。

本发明的基本原理是根据本发明所提供的五电极腐蚀监测传感器，采用电化学中的电化学阻抗谱及稳态、暂态测试技术对钢筋的锈蚀状态进行全面监测，同时采用研究点蚀最先进的电化学噪声技术进行点蚀发生状态监测。如采用弱极化法对钢筋锈蚀的极化电阻、B值进行测量，从而得到钢筋的锈蚀速率；采用谐波分析方法直接得到钢筋锈蚀过程中的腐蚀电流密度；采用恒电流或者恒电位阶跃能够迅速得到钢筋锈蚀过程中的极化电阻、钢筋/混凝土界面的双电层电容及混凝土电阻等信息；采用电化学阻抗谱能够研究钢筋锈蚀过程中的动力学过程，提供锈蚀过程的控制信息等；